Nature | 肠致病菌的免疫逃逸‘双保险’策略：抑制细胞焦亡并阻断上皮细胞挤出

撰文 | 阿童木

在人类和小鼠中，caspase-4及其同源物caspase-11是抵御革兰氏阴性菌感染的关键先天免疫因子。它们能在细胞质中直接感知细菌脂多糖（LPS），被激活后切割孔形成蛋白gasdermin D（ GSDMD），促使其N端片段在质膜上组装成通道，最终引发一种以细胞溶解为特征的炎性细胞死亡——细胞焦亡（pyroptosis）【1, 2】。通过这种方式，宿主可迅速清除受感染细胞，剥夺病原体的复制生态位并限制其扩散。

除LPS外，其他细菌组分如毒素或DNA可被炎症小体复合物识别。炎症小体的组装招募并激活caspase-1，使其切割GSDMD并释放IL-1β与IL-18，从而放大局部炎症反应【3】。这些机制构成了上皮防御的“自毁屏障”，既能终止感染，也能警示邻近细胞。

面对如此严密的宿主防线，许多病原体演化出复杂的免疫逃逸策略。志贺菌的E3连接酶IpaH7.8可降解GSDMD与GSDMB，从而阻断焦亡；其效应子OspC3则直接抑制caspase-4/11的活化【4】。类似机制也存在于鼠疫耶尔森菌的YopM与致病性大肠杆菌的NleA，它们通过干扰caspase-1抑制炎症小体激活；NleF更能同时抑制caspase-4、-8和-9，协同封锁焦亡与凋亡【5, 6】。通过这些策略，病原体在宿主体内短暂建立“免疫豁免区”，为感染扩散赢得时间。

然而，在肠道上皮这种高更新组织中，受感染细胞除了经历凋亡、焦亡或坏死性凋亡外，还可被邻近健康细胞主动“挤出”（extrusion）到管腔，从而为宿主提供额外一道物理防线【7】。尽管多种病原体被证明能抑制细胞死亡，但针对这一“挤出”过程所依赖的细胞骨架重塑机制，目前仍未发现能够干扰该过程的毒力因子。

近日，Genentech公司Vishva M. Dixit与Giovanni Luchetti团队，联合俄勒冈健康与科学大学Isabella Rauch实验室等在

Nature

Enteropathogenic bacteria evade ROCK-driven epithelial cell extrusion

为确定其他毒力因子是否靶向宿主焦亡信号，作者在人类类内皮EA.hy926细胞中筛选了63种大肠杆菌效应子，评估其阻断LPS诱导焦亡的能力。作者发现仅NleL与NleF 能显著抑制LPS诱导的细胞焦亡，表现为存活率上升和LDH释放下降。野生型NleL具备完整的HECT样E3连接酶活性，催化位点突变则无法抑制LPS诱导的细胞死亡，表明NleL的泛素连接酶活性对其抑制LPS诱导的细胞焦亡必不可少。 此外，NleL并不影响caspase-1/GSDMD途径焦亡，提示NleL作用于非经典炎症小体上游。

通过定量质谱鉴定NleL底物，作者发现NleL特异靶向caspase-4与ROCK2。NleL的催化活性可促使caspase-4（Lys87与Lys293）及ROCK2发生K48连接泛素化并被蛋白酶体降解，ROCK1丰度也同步下降；而其他caspase及已知底物如JNKs、IKKs均未受影响。免疫沉淀实验证实NleL直接结合并修饰caspase-4和ROCK1/2，且作用被蛋白酶体抑制剂阻断。

接下来作者通过结构-功能分析进一步解析了底物识别机制，发现NleL通过识别caspase-4/5/11的LPS感知CARD结构域完成泛素化。CARD结构域互换实验表明，caspase-4的CARD可使caspase-1获得对NleL的敏感性，而caspase-1的CARD则赋予耐受性。AlphaFold建模显示，caspase-4的CARD缺乏死亡折叠蛋白典型的六股反平行α螺旋束结构，这一差异或解释其被NleL特异识别的分子基础。

ROCK1和ROCK2不含CARD结构域，截短和片段删除实验表明 NleL主要识别ROCK2的C端PH结构域，该区域对NleL泛素化至关重要。纯化的PH结构域在体外即可被NleL修饰，而激酶结构域无效。进一步的互作分析显示，NleL的PPR结构域（Glu372–Gly486）介导与caspase-4结合，NEL结构域则结合ROCK1。

在功能层面，NleL通过降解caspase-4和ROCK1/2，协同抑制焦亡与上皮细胞挤出。感染实验表明，ΔnleL菌株在Caco-2或肠上皮类器官单层中更加强烈地诱导ROCK底物MLC2磷酸化及肠上皮细胞的挤出。活体成像显示，ROCK1/2可促进焦亡细胞被推出上皮层。体内实验中，ΔnleL的Citrobacter rodentium菌在小鼠结肠的定植显著下降，脾脏扩散受限；而在Rock1/2缺失的IEC小鼠中，野生型与ΔnleL菌株的定植无差异。与此同时，ROCK缺失并未破坏上皮屏障完整性，证实ROCK1/2是NleL促进感染的直接靶点。

综上所述，本研究揭示了大肠杆菌HECT样E3泛素连接酶NleL在感染过程中发挥了双重作用：其一，通过靶向caspase-4/5/11削弱LPS感知与焦亡反应；其二，通过降解ROCK1/2关闭垂死细胞的挤出通道。两条通路的共同抑制，使细菌得以逃脱上皮的“驱逐机制”，在肠道中建立稳定定植。未来若能解析NleL与其底物的复合物结构，将揭示其识别与催化的分子逻辑，并为靶向效应子-宿主互作的抗感染策略提供新思路。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09645-0

制版人： 十一

参考文献

1. Shi, J. et al. Cleavage of GSDMD by inflammatory caspases determines pyroptotic cell death.Nature526, 660–665 (2015).

2. Kayagaki, N. et al. Caspase-11 cleaves gasdermin D for non-canonical inflammasome signalling.Nature526, 666–671 (2015).

3. Newton, K., Strasser, A., Kayagaki, N. & Dixit, V. M. Cell death.Cell187, 235–256 (2024).

4. Wang, C. et al. Structural basis for GSDMB pore formation and its targeting by IpaH7.8.Nature616, 590–597 (2023).

5. LaRock, C. N. & Cookson, B. T. The Yersinia virulence effector YopM binds caspase-1 to arrest inflammasome assembly and processing.Cell Host Microbe12, 799–805 (2012).

6. Yen, H., Sugimoto, N. & Tobe, T. Enteropathogenic Escherichia coli uses NleA to inhibit NLRP3 inflammasome activation.PLoS Pathog. 11, e1005121 (2015).

7. Rauch, I. et al. NAIP-NLRC4 inflammasomes coordinate intestinal epithelial cell extrusion with eicosanoid and IL-18 release via activation of caspase-1 and -8.Immunity46, 649–659 (2017).

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